Реферат: Синтез конечного автомата для устройства управления ЭВМ
Министерство образования Российской Федерации
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева
Новомосковский институт
Синтез конечного автомата для устройства управления ЭВМ
Методические указания
Под редакцией к. т. н., доцента В.И. Воробьева
Новомосковск 2007
УДК 681.322
ББК 32.973
С 387
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника», НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева Е.Б. Колесников,
доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры «Метрология и системы управления качеством», НИ РХТУ им.Д.И. Менделеева Ю.И. Азима.
Составитель: Прохоров B. C.
С 387 Синтез конечного автомата для устройства управления ЭВМ: Методические указания / Под редакцией В.И. Воробьева; РХТУ им.Д.И. Менделеева, Новомосковский ин-т; Сост.: B. C. Прохоров. – Новомосковск, НИ РХТУ им Д.И. Менделеева, 2007. — 20 с.
Предложено индивидуальное задание по синтезу конечного автомата для устройства управления ЭВМ для студентов специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления» по курсу «Схемотехника». Рассмотрен порядок и особенности синтеза этого автомата.
Содержание
Введение
1. Порядок синтеза конечного автомата для устройства управления ЭВМ
2. Индивидуальное задание
Библиографический список
Введение
Устройство управления и синхронизации является наиболее сложным в структуре микропроцессора. Оно влияет на все процессы и управляет их протеканием. Каждая команда программы может быть разделена на этапы извлечения и выполнения. Каждый из них в свою очередь может быть разделен на элементарные микропрограммы. Микропрограммы каждой команды находятся в секции декодирования и выполняются блоком управления и синхронизации.
Управляющий автомат генерирует управляющие сигналы выборки команд из памяти и формирования в счетчике команд адреса следующей команды. Затем управляющий автомат дешифрирует код операции в команде и генерирует соответствующую коду операции серию управляющих сигналов, обеспечивающую реализацию в микропроцессоре заданной операции.
Выполнение индивидуального задания позволит понять суть процессов, протекающих в устройстве управления, и самостоятельно провести анализ и синтез несложных узлов и блоков ЭВМ.
1. Порядок синтеза конечного автомата для устройства управления ЭВМ
Обобщенная структурная схема конечного автомата КА (рис.1) содержит запоминающее устройство ЗУ (память на
триггерах Т1-Тn) и два комбинационных устройства КУ для формирования сигналов q1, q2,...,qn управления триггерами (КУ1) и для формирования требуемых выходных сигналов y1, y2,...,yk (КУ2).
/>
Рис.1 Обобщенная структурная схема КА
КА работает циклами, заканчивая их всякий раз возвращением в исходное состояние.
По сигналу с ДШ команд схема запуска формирует входной сигнал x, который принимает только два значения: x1=0 (пауза в работе КА) и x2=1 (запуск и работа КА).
В ходе выполнения цикла КА в заданные моменты времени t1, t2, t3,… проходит через определенную последовательность внутренних состояний a(t) =al (l=0, 1,..., S), сменяющих друг друга при поступлении очередного тактового импульса Ф. При этом каждый цикл функционирования КА начинается в момент t поступления на его вход сигнала запуска x(t) =1.
Часть этих состояний (и тактов), пребывание в которых сопровождается выдачей импульса на какой-либо выход y1, y2,..., y16, можно назвать активными, а остальные, обеспечивающие заданные паузы между выдачами импульсов, — пассивными.
В качестве примера рассмотрим задачу синтеза КА с 1 входом и 16 выходами, который после запуска выдает импульс:
через (j+1) =(1+1) =2 тактовых интервалов — на выход с
номером (i+1) =(1+1) =2;
2) через (i+1) =(1+1) =2 тактов — на выход с номером
(j+1) =(1+1) =2;
3) через (i+j+9) =(1+1+9) =11 тактов — на выходы с номерами (j+4) =(1+4) =5 и (i+6) =(1+6) =7 и формирует сигнал “сброс” W=1, необходимый для возвращения КА в исходное состояние.
Здесь i=1, j=1 — предпоследняя и последняя цифры в номере зачетной книжки.
В состав КА входит генератор тактовой частоты. Он предназначен для синхронизации (т.е. согласования во времени) работы компонентов КА. Генератор формирует периодическую последовательность импульсов Ф с заданной частотой.
Тактовый интервал равен периоду периодической последовательности импульсов Ф.
В соответствии с заданием можно получить временную диаграмму работы КА (рис.2). Задание рекомендуется выполнить в следующем порядке:
1) по последним цифрам i и j номера зачетной книжки рассчитывают общее число состояний (S+1) КА, определяют необходимое количество триггеров n, активные состояния (такты) автомата, номера активных выходов;
2) строят граф, который задает алгоритм функционирования КА; составляют таблицы состояний и выходных сигналов КА, а по ним составляют таблицы истинности для сигналов на активных выходах и синтезируют функциональную схему КУ1, КУ2 в логическом базисе, заданном табл.1.
Таблица 1
Базис для синтезируемой схемы
Последняя цифра номера зачетной книжки
четная
нечетная
Базис
или-не
и, или, не
3) В соответствии с ГОСТ 2.743-82 “Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники” вычерчивают полную принципиальную электрическую схему КА, включая схему запуска, цепи возврата в исходное состояние (цепи “сброса”). ИМС выбирают из табл.2.
Таблица 2
Рекомендуемый перечень микросхем
Условное обозначение ИМС
Состав и функциональное назначение ИМС
Тип логики
К155ЛЕ1
4x2 ИЛИ-НЕ
ТТЛ
К155ЛН1
6x НЕ
ТТЛ
К155ЛИ1
4x2 И
ТТЛ
К155ЛЕ4
3x3 ИЛИ-НЕ
ТТЛ
Продолжение табл.2
К155ЛЛ1
4x2 ИЛИ
ТТЛ
К155ТВ1
JK-триггер с элементом 3Н на входе
ТТЛ
К555ЛЕ1
4x2 ИЛИ-НЕ
ТТЛШ
К555ЛН1
6x НЕ
ТТЛШ
К555ЛИ1
4x2 И
ТТЛШ
К555ЛИ3
3x3 И
ТТЛШ
К555ЛЕ4
3x3 ИЛИ-НЕ
ТТЛШ
К555ТВ6
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--1
1
1
1
1
1
6
1
1
1
1
1
1
1
7
1
1
1
1
1
1
1
1
1
8
1
1
1
1
1
9
1
1
1
1
1
1
1
10
1
1
1
1
1
1
1
11
1
1
1
1
x
x
x
x
x
x
x
x
1
12
1
x
x
x
x
x
x
x
x
Получим МДНФ для сигналов управления триггерами на картах Карно (рис8).
/>
/>/>
/>
/>/>
Рис.8. Карты Карно для сигналов на управляющих входах TV-триггеров
Синтез КУ1 осуществляют на логических функциях для сигналов управления триггерами:
q1=1; q2=Q1; q3=Q1Q2; q4=Q1Q2Q3, а синтез КУ2 — по ранее полученным уравнениям (рис.9).
/>
Рис.9. Принципиальная электрическая схема КА при построении ЗУ на TV-триггерах
Сравнивая схемы Рис.6 и рис.9 можно установить, что применение TV-триггеров упрощает синтез КА: при синтезе схемы Рис.6 использовано 14 логических элементов, а схемы рис.9 — только10: на 4 меньше.
При выполнении индивидуального задания рекомендуется пользоваться литературой, предложенной в библиографическом списке.
2. Индивидуальное задание
Синтезировать конечный автомат КА, выполняющий функции устройства управления УУ ЭВМ и имеющий 1 вход и 16 выходов.
УУ по сигналу с дешифратора ДШ команд должно выдавать на свои выходы серию управляющих сигналов с различными временными задержками, чем и обеспечивается управление микропроцессором в ходе выполнения очередной команды программы.
КА после запуска должен:
1) через (j+1) тактовых интервалов выдавать импульс на выход с номером (i+1);
2) через (i+1) тактов — на выход с номером (j+1);
3) через (i+j+9) тактов — на выходы с номерами (j+4) и (i+6);
4) после этого самостоятельно возвращается в исходное состояние.
Здесь i и j — предпоследняя и последняя цифры в номере зачетной книжки.
Библиографический список
1. Гольденберг Л.М., Бутыльский Ю.Т., Поляк М.Н. Цифровые устройства на интегральных схемах в технике связи. — М.: Связь, 1979. — 232 с.
2. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. — М.: Радио и связь, 1981. — 223 с.
3. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. — Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988. — 352 с.
4. Проектирование импульсных и цифровых устройств радиотехнических систем: Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов / Гришин Ю.П., Казаринов Ю.М., Катинов В.М. и др.; Под редакцией Ю.М. Казаринова — М.: Высшая школа, 1985. — 319 с.
5. Савельев А.Я. Прикладная теория цифровых автоматов.: Учебник для вузов по спец. ЭВМ. — М.: Высшая школа, 1987. – 272 с.
6. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. — Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1986. — 280 с.: ил.